《Nature》3D列印強度為1.3GPa的大馬士革鋼

眾所周知，利用雷射增材製造技術可以3D列印出複雜形狀的物件。來自德國馬普所的Philipp Kürnsteiner、Dierk Raabe 等研究者在Nature發文，該技術還可以用於局部控制列印物件的微觀組織和機械性能。Nature還配以同步報導。（論文解讀→ 馬普所最新《Nature》：增材製造1.3GPa強度，10%延伸率的新型鋼材！）

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2409-3

報導連結：

https://www.nature.com/articles/s41578-020-0219-8

利用雷射增材製造的物件經歷了熱循環過程：從液態迅速淬火+ 短高溫熱循環。傳統合金並未就此類加工工藝進行優化，不過專門設計的合金能夠藉助此類熱循環以獲得某種特定的微觀組織。「通過工藝把控，得到層層相疊的納米結構而非均質合金，前者機械性能更好」，Rabbe稱，「這種納米結構發現於大馬士革鋼，大馬士革鋼在過去常用來製造古阿拉伯和日本劍，這種鋼的傳統製造過程繁瑣，在鍛造時需要將兩種不同的鋼不斷摺疊。」相對而言，在3D列印過程中，單個製造步驟即可獲得層層堆積、軟硬交替的納米結構。

「起初只是觀察到，在3D列印過程中，即便在原材料沉積後、比如在整個層層堆積過程中，也會在局部產生大量熱量，」Raabe 表示，「我們將這種現象稱為本徵熱處理，並且著手驗證我們的假設，即這些熱量可用於局部熱處理，誘導組織轉變從而生成期望的納米結構。」為此，研究人員開發了Fe19Ni5Ti (wt%)合金，有針對性地進行了優化以便更好地利用熱循環。研究得到的材料就是一種強韌的馬氏體時效鋼。

馬氏體時效鋼通過形成含鎳的軟態馬氏體相，以及金屬間化合物沉澱強化而獲得。通常，需要昂貴的後期熱處理來引發這些相變。如果採用優化的合金，在3D列印的過程中就可以原位誘導相變，並且通過精確的控制能夠優化材料的機械性能。尤其是在經過4層材料沉積後，關閉雷射器，試樣冷卻，從而觸發馬氏體相形成。隨著列印的進行，本徵熱處理誘導沉澱反應，在塊狀馬氏體頂部形成一層硬質材料。通過時間調節，可以控制這些強化硬質條帶的厚度。

列印出的鋼具有1300MPa的拉伸強度和10%的延伸率，與傳統馬氏體鋼機械性能相當。有些船東的馬氏體鋼可以達到更高的強度，但只有2-3%的延伸率。熱循環是關鍵，只有在溫度低於某個特定溫度值時才會形成馬氏體，沉澱反應由材料固有的再熱觸發。如果層與層之間沒有時間間隔，溫度就會不斷上升，阻礙馬氏體相和金屬間沉澱物的形成（最終冷卻除外），導致試樣上部只有一層硬質條帶。

這項研究中，層與層之間的間歇時間是可控變量，不過可以調節很多其他參數，使得該方法可以適用於其他增材製造。「要想優化列印工藝以得到理想的分層納米結構，需要深刻理解時間--溫度曲線下不同類型的形核、擴散、相變以及晶粒粗化之間的相互作用，這與以往的研究全然不同」，Rabbe總結道，「一旦我們了解清楚工藝控制如何影響熱分布，熱分布如何影響相變，相變如何影響材料性能，我們就不僅能夠設計金屬部件的形狀，還能夠局部控制、調節材料的微觀組織和性能。」（文：疾風）

圖1 DED-製造Fe19Ni5Ti (wt%)樣品。

圖2 2個Fe19Ni5Ti (wt%)鋼試樣的拉伸試驗。